基于PCIE／104總線的高速數據接口設計

摘要：PC／104作為一種工業嵌入式的總線標準，由于其小尺寸結構、低功耗，以及軟件通用性而被廣泛用于航空航天、工業控制等領域。這里主要介紹了下一代總線技術PCIE總線在PC／104標準下的應用。闡述了數據接口卡的系統組成和各單元的功能，以及驅動在linux操作系統下的實現原理。自行設計并實現了板卡原理圖和PCB，同時簡述了高速PCB仿真方面的知識，并針對PCIE差分線進行了版級仿真。最后利用PLX公司提供的開發套件在Linux操作系統下完成了板卡驅動的開發和調試。
關鍵詞：PCIe總線；PC／104；嵌入式；PCB仿真

0 引言
PCIE總線是由Intel公司提出用來取代現行PCI總線的下一代總線技術，被公認為未來總線的發展方向，目前已經成功應用在了商業機上。相對于目前流行的PCI總線，它具有如下特點：
采用了串行點對點模式，數據總線從并行走回向串行無疑是一個趨勢，如現在流行的SATA總線、PCIE總線和rapidIO總線都是串行總線。現在串行總線在速度上的優勢可以說是毋庸置疑的。PCIE總線在每個方向上都有X1，X2，X4，X8，X16或X32個信號對，用戶可根據不同的需求采用不同的配置。同時串行信號還具有管教更少，便于調試的優點。
PCIE采用了基于數據包的協議來編碼事物，而不是PCI體系結構的總線周期。數據包被串行發送和接受，并被字節拆分來通過物理鏈路。鏈路上實現的通道越多，數據包發送的數據越快，鏈路的帶寬也越寬。同時PCIE還定義了各種類型的數據包，如存儲器讀／寫請求、I／O讀／寫請求、配置讀／寫請求、消息請求和完成數據包等。
PC／104標準是一種嵌入式的總線標準，具有功耗低，尺寸小，堆棧式結構的特點。隨著目前各種應用數據傳輸量的增大，現行的PCI總線在帶寬方面已經略顯疲態，而新近瑞士邏輯提出的PC／104 Express標準，使得PCIE總線技術被成功地應用在了PC／104標準的板卡上。本文采用了PLX公司的PEX8311橋接芯片，完成了PCIE到局部總線接口的轉換，應用PLX公司提供的開發工具在Linux操作系統下實現了板卡的驅動應用。在軟硬件兩方面進行了設計，完成了PCIE／104板卡的功能，升級了系統的總線。

1 PCIE／104高速信號接口卡的系統
PCIE／104高速信號接口卡的系統設計方案如圖1所示。

外部傳感器采集到的數據通過LVDS，RS 422等電平方式，以固定的不同串口波特率傳到FPGA內部集成的各自對應的雙口RAM中。當寫入了固定字節后，設定標志位stage為1，同時發出中斷信號LINT#給PEX8311。PEX8311產生了assert_INT1信息，并通過PCIE接口發給上位機。上位機保存好現在的任務后，通過PCIE開始發出存儲器讀命令給PEX8311。PEX8311獲得命令后，向FPGA發出本地總線申請信號，FPGA作為本地端的控制器將本地總線控制權交給PEX8311。PEX8311開始讀數據，首先要進行的是讀取標志位，在讀取了標志位后，上位機就知道是哪幾路串口信號需要讀入。然后，把標志位清掉，這樣相當于清掉了中斷信號。接著，中斷服務程序在進入到各個串口的RAM中，來讀取相應的數據。在多路串口信號傳輸過來時，針對該系統，采用的是優先滿足高速串口的原則，也就是采用高速串口的標志位作為中斷信號，每次產生中斷后查詢其他標志位。數據到上位機后待處理。該系統目前實現的是兩路串口，而多路串口原理相同。